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C++ 多继承和虚继承的内存布局(Memory Layout for Multiple and Virtual Inheritance)

2024-10-19 11:36:40   228人阅读

警告. 本文有点技术难度，需要读者了解C++和一些汇编语言知识。

在本文中，我们解释由gcc编译器实现多继承和虚继承的对象的布局。虽然在理想的C++程序中不需要知道这些编译器内部细节，但不幸的是多重继承（特别是虚拟继承）的实现方式有各种各样的不太明确的结论（尤其是，关于向下转型指针，使用指向指针的指针，还有虚拟基类的构造方法的调用命令）。 如果你了解多重继承是如何实现的，你就能预见到这些结论并运用到你的代码中。而且，如果你关心性能，理解虚拟继承的开销也是非常有用的。最后，这很有趣。 :-)

多重继承

classTop
{ public: inta;
}; classLeft : publicTop
{ public: intb;
}; classRight : publicTop
{ public: intc;
}; classBottom : publicLeft, publicRight
{ public: intd;
};
使用UML图，我们可以把这个层次结构表示为：

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注意Top被继承了两次（在Eiffel语言中这被称作重复继承）。这意味着类型Bottom的一个实例bottom将有两个叫做a的元素（分别为bottom.Left::a和bottom.Right::a）。

Left、Right和Bottom在内存中是如何布局的？让我们先看一个简单的例子。Left和Right拥有如下的结构：

Left
Top::a
Left::b
   Right
    Top::a
    Right::c

请注意第一个属性是从Top继承下来的。这意味着在下面两条语句后

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Left* left = <b>new</b> Left();
Top* top = left;
left和top指向了同一地址，我们可以把Left Object当成Top Object来使用(很明显，Right与此也类似)。那Buttom呢？GCC的建议如下：
Bottom        
Left::Top::a
Left::b
Right::Top::a
Right::c
Bottom::d

如果我们提升Bottom指针，会发生什么事呢？
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Bottom* bottom = <b>new</b> Bottom();
Left* left = bottom;

这段代码工作正常。我们可以把一个Bottom的对象当作一个Left对象来使用，因为两个类的内存部局是一样的。那么，如果将其提升为Right呢？会发生什么事？

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Right* right = bottom;
为了执行这条语句，我们需要判断指针的值以便让它指向Bottom中对应的段。

Bottom

Left::Top::a

Left::b
right技术分享 Right::Top::a

Right::c

Bottom::d

经过这一步，我们可以像操作正常Right对象一样使用right指针访问bottom。虽然，bottom与right现在指向两个不同的内存地址。出于完整性的缘故，思考一下执行下面这条语句时会出现什么状况。
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Top* top = bottom;
是的，什么也没有。这条语句是有歧义的：编译器将会报错。
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error: `Top‘ is an ambiguous base of `Bottom‘
两种方式可以避免这样的歧义
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Top* topL = (Left*) bottom;
Top* topR = (Right*) bottom;
执行这两条语句后，topL和left会指向同样的地址，topR和right也会指向同样的地址。
 

虚拟继承

为了避免重复继承Top，我们必须虚拟继承Top：

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classTop
{ public: inta;
}; classLeft : virtualpublicTop
{ public: intb;
}; classRight : virtualpublicTop
{ public: intc;
}; classBottom : publicLeft, publicRight
{ public: intd;
};
这就得到了如下的层次结构（也许是你一开始就想得到的）

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虽然从程序员的角度看，这也许更加的明显和简便，但从编译器的角度看，这就变得非常的复杂。重新考虑下Bottom的布局，其中的一个（也许没有）可能是：

Bottom

Left::Top::a

Left::b

Right::c

Bottom::d

这个布局的优点是，布局的第一部分与Left的布局重叠了，这样我们就可以很容易的通过一个Left指针访问 Bottom类。可是我们怎么处理

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Right* right = bottom;

我们将哪个地址赋给right呢? 经过这个赋值，如果right是指向一个普通的Right对象，我们应该就能使用 right了。但是这是不可能的！Right本身的内存布局是完全不同的，这样我们就无法像访问一个"真正的"Right对象一样，来访问升级的Bottom对象。而且，也没有其它（简单的）可以正常运作的Bottom布局。

解决办法是复杂的。我们先给出解决方案，之后再来解释它。

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你应该注意到了这个图中的两个地方。第一，字段的顺序是完全不同的（事实上，差不多是相反的）。第二，有几个vptr指针。这些属性是由编译器根据需要自动插入的（使用虚拟继承，或者使用虚拟函数的时候）。编译器也在构造器中插入了代码，来初始化这些指针。

vptr (virtual pointers)指向一个 “虚拟表”。类的每个虚拟基类都有一个vptr指针。要想知道这个虚拟表 (vtable)是怎样运用的，看看下面的C++ 代码。

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Bottom* bottom = <b>new</b> Bottom();
Left* left = bottom; <b>int</b> p = left->a;

第二个赋值使left指向了bottom的所在地址（即，它指向了Bottom对象的“顶部”）。我们想想最后一条赋值语句的编译情况（稍微简化了）：

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movl left, %eax # %eax = left
movl (%eax), %eax # %eax = left.vptr.Left
movl (%eax), %eax # %eax = virtualbase offset
addl left, %eax # %eax = left + virtualbase offset
movl (%eax), %eax # %eax = left.a
movl %eax, p # p = left.a

用语言来描述的话，就是我们用left指向虚拟表，并且由它获得了“虚拟基类偏移”(vbase)。这个偏移之后就加到了left，然后left就用来指向Bottom对象的Top部分。从这张图你可以看到Left的虚拟基类偏移是20；如果假设Bottom中的所有字段都是4个字节，那么给left加上20字节将会确实指向a字段。

 

经过这个设置，我们就可以同样的方法访问Right部分。按这样

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Bottom* bottom = <b>new</b> Bottom();
Right* right = bottom; <b>int</b> p = right->a;

之后right将指向Bottom对象的合适的部位：


Bottom

vptr.Left

Left::b
right技术分享 vptr.Right

Right::c

Bottom::d

Top::a

对top的赋值现在可以编译成像前面Left同样的方式。唯一的不同就是现在的vptr是指向了虚拟表的不同部位：取得的虚拟表偏移是12，这完全正确（确定！）。我们可以将其图示概括：技术分享

当然，这个例子的目的就是要像访问真正Right对象一样访问升级的Bottom对象。因此，我们必须也要给Right（和Left）布局引入vptrs：

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现在我们就可以通过一个Right指针，一点也不费事的访问Bottom对象了。不过，这是付出了相当大的代价：我们要引入虚拟表，类需要扩展一个或更多个虚拟指针，对一个对象的一个简单属性的查询现在需要两次间接的通过虚拟表（即使编译器某种程度上可以减小这个代价）。

向下转换

如我们所见，将一个派生类的指针转换为一个父类的指针(或者说，向上转换)可能涉及到给指针增添一个偏移。有人可能会想了，这样向下转换（反方向的）就可以简单的通过减去同样的偏移来实现。确实，对非虚拟继承来说是这样的。可是，虚拟继承（毫不奇怪的！）带来了另一种复杂性。

假设我们像下面这个类这样扩展继承层次。
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classAnotherBottom : publicLeft, publicRight
{ public: inte; intf;
};

继承层次现在看起来是这样

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现在考虑一下下面的代码。

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Bottom* bottom1 = newBottom();
AnotherBottom* bottom2 = newAnotherBottom();
Top* top1 = bottom1;
Top* top2 = bottom2;
Left* left = static_cast<Left*>(top1);

下图显示了Bottom和AnotherBottom的布局，而且在最后一个赋值后面显示了指向top的指针。


Bottom

vptr.Left

Left::b

vptr.Right

Right::c

Bottom::d
top1技术分享 Top::a

AnotherBottom

vptr.Left

Left::b

vptr.Right

Right::c

AnotherBottom::e

AnotherBottom::f
top2技术分享 Top::a

现在考虑一下怎么去实现从top1到left的静态转换，同时要想到，我们并不知道top1是否指向一个Bottom类型的对象，或者是指向一个AnotherBottom类型的对象。所以这办不到！这个重要的偏移依赖于top1运行时的类型（Bottom则20，AnotherBottom则24）。编译器将报错：

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error: cannot convert from base `Top‘ to derived type `Left‘
via virtualbase `Top‘

因为我们需要运行时的信息，所以应该用一个动态转换来替代实现：

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Left* left = <b>dynamic_cast<</b>Left*<b>></b>(top1);

可是，编译器仍然不满意：

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error: cannot dynamic_cast`top‘ (of type `class Top*‘) to type
   `classLeft*‘ (source type is not polymorphic)

（注：polymorphic多态的）

问题在于，动态转换（转换中使用到typeid）需要top1所指向对象的运行时类型信息。但是，如果你看看这张图，你就会发现，在top1指向的位置，我们仅仅只有一个integer (a)而已。编译器没有包含指向Top的虚拟指针，因为它不认为这是必需的。为了强制编译器包含进这个vptr指针，我们可以给Top增加一个虚拟的析构器：

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<b>class</b> Top
{ <b>public</b>: <span><b>virtual</b> ~Top() {}</span> <b>int</b> a;
};

这个修改需要指向Top的vptr指针。Bottom的新布局是

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(当然类似的其它类也有一个新的指向Top的vptr指针)。现在编译器为动态转换插进了一个库调用：

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left = __dynamic_cast(top1, typeinfo_for_Top, typeinfo_for_Left, -1);

这个函数__dynamic_cast定义在stdc++库中(相应的头文件是cxxabi.h)；参数为Top的类型信息，Left和Bottom(通过vptr.Top)，这个转换可以执行。 (参数 -1 标示出Left和Top之间的关系现在还是未知)。更多详细资料，请参考tinfo.cc 的具体实现 。

总结语

最后，我们来看看一些没了结的部分。

指针的指针

这里出现了一点令人迷惑的问题，但是如果你仔细思考下一的话它其实很简单。我们来看一个例子。假设使用上一节用到的类层次结构(向下类型转换).在前面的小节我们已经看到了它的结果：

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Bottom* b = <b>new</b> Bottom();
Right* r = b;
(在将b的值赋给r之前，需要将它调整8个字节，从而让它指向Bottom对象的Right部分).因此，我们可以合法地将一个Bottom* 赋值给一个Right*的指针。但是Bottom**和Right**又会怎样呢？ 
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Bottom** bb = &b;
Right** rr = bb;

编译器会接受这样的形式吗？我们快速测试一下，编译器会报错：

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error: invalid conversion from `Bottom**‘ to `Right**‘
为什么呢？假设编译器可以接受从bb到rr的赋值。我们可以只管的看到结果如下： 
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<img alt="double pointers" src=http://www.mamicode.com/"http://static.oschina.net/uploads/img/201309/25161720_1KNi.png">

因此，bb和rr都指向b，并且b和r指向Bottom对象的正确的章节。现在考虑当我们赋值给*rr时会发生什么(注意*rr的类型时Right*,因此这个赋值是有效的):

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*rr = b;   

这样的赋值和上面的赋值给r在根本上是一致的。因此，编译器会用同样的方式实现它！特别地，它会在赋值给*rr之前将b的值调整8个字节。办事*rr指向的是b！我们再一次图示化这个结果：

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只要我们通过*rr来访问Bottom对象这都是正确的，但是只要我们通过b自身来访问它，所有的内存引用都会有8个字节的偏移---明显这是个不理想的情况。

因此，总的来说，及时*a 和*b通过一些子类型相关，**aa和**bb却是不相关的。

虚拟基类的构造函数

编译器必须确保对象的所有虚指针都被正确的初始化。特别是，编译器确保了类的所有虚基类都被调用，并且只被调用一次。如果你不显示地调用虚拟超类(不管他们在继承层次结构中的距离有多远)，编译器都会自动地插入调用他们缺省构造函数。

这样也会引来一些不可以预期的错误。以上面给出的类层次结构作为示例，并添加上构造函数的部分：

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<b>class</b> Top
{ <b>public</b>:
   Top() { a = -1; }
   Top(<b>int</b> _a) { a = _a; } <b>int</b> a;
}; <b>class</b> Left : <b>public</b> Top
{ <b>public</b>:
   Left() { b = -2; }
   Left(<b>int</b> _a, <b>int</b> _b) : Top(_a) { b = _b; } <b>int</b> b;
}; <b>class</b> Right : <b>public</b> Top
{ <b>public</b>:
   Right() { c = -3; }
   Right(<b>int</b> _a, <b>int</b> _c) : Top(_a) { c = _c; } <b>int</b> c;
}; <b>class</b> Bottom : <b>public</b> Left, <b>public</b> Right
{ <b>public</b>:
   Bottom() { d = -4; }
   Bottom(<b>int</b> _a, <b>int</b> _b, <b>int</b> _c, <b>int</b> _d) : Left(_a, _b), Right(_a, _c)
    {
      d = _d;
    } <b>int</b> d;
};
(首先考虑非虚拟的情况。)你会期望下面的代码段输出什么：
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Bottom bottom(1,2,3,4);
printf("%d %d %d %d %d\n", bottom.Left::a, bottom.Right::a,
   bottom.b, bottom.c, bottom.d);
你可能会希望得到下面的结果，并且也得到了下面的结果：
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1 1 2 3 4
然而，现在考虑虚拟的情况(我们虚拟继承自Top类)。如果我们仅仅做那样一个改变，并再一次运行程序，我们会得到：
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-1 -1 2 3 4
为什么呢？通过跟踪构造函数的执行，会发现：
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Top::Top()
Left::Left(1,2)
Right::Right(1,3)
Bottom::Bottom(1,2,3,4)
就像上面解释的一样，编译器在Bottom类执行其他构造函数之前中插入调用了缺省构造函数。 然后，当Left去调用它自身的超类的构造函数时(Top),我们会发现Top已经被初始化了因此构造函数不会被调用。

为了避免这种情况，你应该显示的调用虚基类的构造函数：

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Bottom(int_a, int_b, int_c, int_d): Top(_a), Left(_a,_b), Right(_a,_c)
{
   d = _d;
}

指针等价

再假设同样的（虚拟）类继承等级，你希望这样就打印“相等”吗？

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Bottom* b = newBottom();
Right* r = b; if(r == b)
   printf("Equal!\n");

记住这两个地址并不实际相等（r偏移了8个字节）。但是这应该对用户完全透明；因此，实际上编译器在r与b比较之前，就给r减去了8个字节；这样，这两个地址就被认为是相等的了。

 

转换为void类型的指针

最后，我们来思考一下当将一个对象转换为void类型的指针时会发生什么事情。编译器必须保证一个指针转换为void类型的指针时指向对象的顶部。使用虚函数表这很容易实现。你可能已经想到了指向top域的偏移量是什么。它是虚函数指针到对象顶部的偏移量。因此，转化为void类型的指针操作可以使用查询虚函数表的方式来实现。然而一定要确保使用动态类型转换，如下：

dynamic_cast<void*>(b);


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